基于级联DDMZM的微波光子学中同时测量距离和攻角（AOA）的方案

《Optics & Laser Technology》：Simultaneous distance and AOA measurement scheme based on cascaded DDMZM in microwave photonics

　　宋诗如|崔赫|李茵|陈向林|姚亚琳|曲泽恩|刘涛林|刘天江 中国国防科技大学高级跨学科研究学院，长沙410073 **摘要** 现代雷达系统中对精确同时多参数检测的需求日益增长，这暴露了传统电子设备的局限性。而具有固有抗干扰能力的超宽带微波光子学（MWP）技术提供了一个可行的解决方案。我们提出了一种基于级联双驱动马赫-曾德尔调制器（DDMZM）配置的新型MWP系统，用于同时精确测量目标距离和到达角（AOA）。在所提出的方法中，首先通过单边带调制将线性频率调制（LFM）信号加载到光载波上。来自双天线通道的接收回波（其中一个路径经历了特定的时间延迟）随后被应用于次级DDMZM进行光子辅助处理。通过利用窄带带通滤波器实现的频率-时间映射机制来提取目标距离，而通过解析两个去啁啾回波信号之间的相位差来估计AOA。实验结果表明，该系统能够在数百米的目标距离上实现无周期内镜像模糊（IPMA）的准确距离测量，误差小于0.5米，并且在-70°到70°的角度范围内有效估计AOA。此外，还成功验证了使用单站进行目标空间定位的能力。因此，这项工作为开发紧凑且多功能集成的MWP雷达系统提供了一种有效且有前景的技术方法。 **引言** 在雷达、电子战和通信系统中，对精确参数测量的需求不断增长，但这些需求遇到了传统技术固有的“电子瓶颈”限制[1]。这些限制包括有限的操作带宽、对电磁干扰（EMI）的高敏感性、低集成水平以及显著的功耗[2]。相比之下，微波光子学（MWP）作为一种变革性技术应运而生。它利用光子学的独特特性——如超宽带、低传输损耗、固有的抗EMI能力和高集成潜力——通过使用光载波来生成、传输和处理微波信号[3]、[4]、[5]。这种能力对于现代应用尤为重要，包括多目标跟踪和智能交通管理，这些应用需要实时并行获取多维目标参数信息。其中，目标距离[6]、[7]、[8]和到达角（AOA）[9]的同时测量对于准确的空间定位至关重要，直接影响系统响应速度、架构简洁性和时间参数对齐。MWP技术固有的并行处理能力和卓越的宽带处理能力有效缓解了电子系统中存在的关键瓶颈，如通道间串扰和定时同步误差[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。因此，MWP为高精度、同时多参数测量提供了一个极具前景的平台，具有重要的理论意义和广泛的应用前景。 在目标距离测量领域，由于其优越的时间-频率特性[12]、[15]、[16]、[17]、[18]，LFM信号在雷达和激光雷达系统中得到广泛应用。利用其独特优势，MWP技术提供了一种生成和处理高频宽带LFM信号的有效方法，从而成为实现高精度测距的强大工具。具体来说，MWP雷达能够在发射机处通过光子学生成LFM信号[19]，[20]，并通过光子学手段在接收机处实现回波信号的高保真处理[6]、[16]。在这个技术框架内，通过去啁啾过程将发射信号和回波信号之间的时间延迟转换为窄带信号。然后可以通过混合和后续的频谱分析来准确测量这个去啁啾信号，从而确定目标距离。受此原理启发，已经开发出多种MWP雷达架构以实现超高精度的距离测量[16]、[17]、[18]、[21]、[22]。例如，在[21]中提出的系统在发射机处集成了锁模激光器以实现灵活的可调LFM生成，并在接收机处采用光子学辅助的超快采样，从而显著提高了整体测距性能。为了克服带宽限制，提出了一种基于MWP频率四倍器的LFM信号生成方案，通过产生宽带频率调制波形来实现超高分辨率的目标距离检测[22]。 在AOA测量领域，MWP架构的核心原理是通过测量相邻天线接收到的信号之间的时间延迟或相位差来确定目标方向[11]、[23]、[24]。在这一范式下已经开发出两种主要技术方案。第一种方案是MWP下变频。该方法利用MWP技术的卓越宽带处理能力来实现宽带射频（RF）信号的高精度AOA测量[23]、[25]、[26]。其主要优势在于能够处理宽的瞬时带宽。然而，与传统的电子方案类似，后续的信号处理仍然依赖于复杂的电子组件，导致系统复杂性和成本增加。第二种方案是相位到功率映射。该方法巧妙地利用光子学辅助将入射波的相位差映射到光电二极管（PD）后的RF功率水平上。然后通过简单测量输出RF信号的功率来推断AOA[24]、[27]。虽然这种方案结构相对简单且潜在成本低廉，但它存在某些限制，可能会影响其实际应用。它通常仅适用于单目标检测，无法区分正负角度[28]、[29]、[30]、[31]。此外，其测量精度极易受到激光功率波动和光调制器偏置点漂移的不利影响，这对长期稳定性和实际部署构成挑战。除了这两种方案之外，还有针对不同信号类型的特定策略。对于宽带回波信号，一种有效的方法是结合可调时间延迟线来构建陷波滤波器。然后通过分析陷波频率的变化来提取AOA信息[32]。另外，对于LFM信号，MWP系统可以利用时间延迟引起的频率偏移特性。在去啁啾（将回波与参考信号混合）后，可以通过提取两个接收通道之间的残余相位或时间差来准确估计AOA[33]、[34]。 利用MWP系统的出色灵活性和兼容性，研究人员已成功将多种功能集成到统一平台上。